معرفی و کاربرد مبدل های خورشیدی در صنعت

[P O U R I A]

معرفی و کاربرد مبدل های خورشیدیدر صنعت


چكیده
مبدل خورشیدی فناوری جدیدی است که در آن از انرژی خورشیدی به عنوان انرژی اصلی استفاده میشود. این مبدل امروزه از لحاظ فنی شکل نهایی خود را پیدا کرده و در بخش صنعتی و غیر صنعتی کاربرد فراوانی به خود اختصاص داده که در بخش صنعتی شامل تمامی تجهیزات فرایندی از جمله کلکتور، مخزن ذخیره و دستگاه های کنترل ابزار دقیق میباشد ،مخزن ذخیره از مواد مخصوص با مقاومت بالا در برابر خوردگی و نوسانات فشاری ساخته میشود.
کلکتور آن نیز متشکل از یک یا چند صفحه ی جذب کننده که جاذب انرژی نامیده میشود و لوله های اتصال و عایق حرارتی میباشد و نقش اصلی در تبدیل تابش نور خورشید به گرما و انتقال آن به عهده دارد، در بخش غیر صنعتی از حالت های جزئی این تکنولوژی برخوردار است، جهت گرم کردن آب استخرها و مصارف عمومی از آبگرمکن های خورشیدی استفاده میشود که ساختار ساده ی آن متشکل از کلکتور و مخزن ذخیره است.
تاسیسات خورشیدی در طول عمرشان به اندازه سیزده بار بیشتر از زمانی که برای تولیدشان صرف شده انرژی تولید میکنند .استفاده ی مکرر از انرژی هاي فسیلی باعث تولید گازهای گلخانه ای مضر میشود و به مرور زمان به کاهش این منابع منجر شده و افزایش قیمت آنها را در بر دارد. بسیاری از کشورهای در حال توسعه به استفاده از انرژیهای طبیعی نظیر انرژیهای خورشیدی و باد روی آورده اند. استفاده از این دو انرژی در بیشتر مناطق کره زمین قابل ذخیره و بیپایان بوده و پاک محسوب میشود و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه میباشد، همچنین برای حفظ و ذخیره ی منابع فسیلی با ارزش، موثر است.

 

[P O U R I A]

مقدمه
انرژی خورشیدی از طریق تشعشع در حالت خلا به سطح زمین میرسد. جذب انرژی خورشیدی بوسیله تجهیزات مختلف صورت گرفته و در صنایع مختلف کاربردهای فراوانی را به خود اختصاص داده است. قدمت مبدلهای خورشیدی در ایالت متحده آمریکا به قبل از سال 1900 میلادی میرسد که شامل تانکهایی سیاه رنگ بر روی پشت بامها میشود. در سال 1896 میلادی کلارنس کمپ از بالیتیور ایالات متحده ی آمریکا مخزنی در جعبه چوبی قرار داد که این جزء اولین آبگرمکن های خورشیدی بود و کمکم مردم به این شیوه علاقمند شدند و در سال 1920 میلادی در فلوریدا و کالیفرنیا مورد استفاده قرار گرفت .

در سال 1960 میلادی این علاقه مندی به شمال آمریکا رسید ،جهان شاهد رشد سریع استفاده از مبدل های خورشیدی گشت که در سال 1973 میلادی پس از بحران نفتی آمریکا محور توجه بسیاری از مردم قرار گرفت. در ژاپن و استرالیا نوآوریهای کلی به بازار عرضه شد تا به بهبود عملکرد، امید به زندگی و سهولت استفاده از این سیستمها کمک کند، تا جایی که نصب و راه اندازی سیستم های انرژی خورشیدی و استفاده از آن جهت گرمایش آب در کشورهایی نظیر: اتریش، ژاپن و کشورهای حوزه دریای مدیترانه به شکل قانون در آمد. اسپانیا در سال 1997 به استفاده از انرژی خورشیدی روی آورد. در سال 2005 اسپانیا به دومین کشور جهان از لحاظ نصب و راه اندازی این سیستمها تبدیل شد

شكل(1)- تصوير یك نمونه مبدل خورشيدي​

 

[P O U R I A]

1-1- مبدل خورشیدی
فناوری جدیدی میباشد که در آن از انرژی خورشیدی به عنوان انرژی پایه استفاده میشود و برای تامین گرما، آب گرم ،الکتریسیته و حتی سرمایش منازل مسکونی و مراکز تجاری و صنعتی کاربرد دارد. بهرهبرداری از انرژی خورشیدی در بسیاری از کشورهای جهان به خصوص در مناطقی که با مدت زمان طولانی تابش خورشید همراه هستند رونق فراوانی یافته است.
فناوریهای حرارتی خورشیدی به دو بخش صنعتی و غیرصنعتی تقسیم میشوند، که در بخش صنعتی یک فرآیند کامل را در بر میگیرد که شامل تمامی تجهیزات از جمله کلکتور، مخزن ذخیره و دستگاه کنترل ابزار دقیق و ... میباشند و در بخش غیر صنعتی از حالتهای جزئی این تکنولوژی استفاده می شود. شمای کلی یک مبدل خورشیدی در شکل (1) نمایش داده شده است.

شكل (2)- تصوير یك نمونه مبدل خورشيدي با تمام اجزا​

1-2- اجزا مبدل خورشیدی
در شکل (2) یک نمونه مبدل خورشیدی با تمام اجزا معرفی شده است .

1-2-1- کلكتور: نقش اصلي را در جمعآوري و تبدیل تابش نور خورشید به گرما و انتقال آن به سیستم بعدي بر عهده دارد ،و متشکل از صفحه جذب کننده، لوله اتصال، درزگیر و عایق حرارتي میباشد و بر انواع زیر تقسیم میشود:

1-1-2-1- کلكتورهای بدون شیشه:
فقط متشکل از جاذب هستند، جاذب از جنس فولاد عالی میباشد، سرپوش شیشه ای و محفظه و عایق گرما ندارند در نتیجه گرمای بیشتری از دست میدهند اما به خاطر ساختار سادهاش بسیار مقرون به صرفه است.
2-1-2-1- کلكتورهای تخت:
از یک جاذب فلزی که در یک محفظه مسطح و چهار گوش قرار داشته تشکیل میشود. قسمت پشت و طرفین باریک محفظه در مقابل حرارت عایقبندی شده و قسمت بالای آن بطرف خورشید قرار دارد به یک سرپوش پشت نما مجهز میباشد. دو مجرای لوله ای شکل مخصوص جاری ساختن سیال ناقل گرما ا غلب در طرفین کلکتور قرار میگیرد.​

3-1-2-1- کلكتورهای با محفظه صفحه ای و شیشه ای: ​

جاذب و عایق حرارتی در یک محفظه تعبیه میشود و برای حفاظت و حصول به نتیجه مطلوب گلخانه ای قسمت بالای محفظه سرپوش گذاشته میشود که نور را از خود عبور میدهد ،سرپوش شیشه ای محافظ دارای آهن است و به عنوان شیشه نشکن مقاوم بکار میرود.​

4-1-2-1- کلكتورهای خلاءای:
​

شامل کلکتورهای لوله ای و تخت شکل خلاءای میباشد:​

1-4-1-2-1- کلكتورهای   لولهای شكل خلاءای: از تعدادی لوله که به یکدیگر وصل شده اند تشکیل شده است. در این نوع کلکتورهای جاذب یا به شکل تخت یا به شکل نوارهای خم شده به طرف بالا یا بصورت پوششی بر روی یک شیشه گیرنده خمیده در داخل لوله های شیشه ای خلاءای نصب میشود.​

2-4-1-2-1- کلكتورهای تخت شكل خلاءای: در حال حاضر فقط یک نوع از این کلکتور به بازار عرضه میشود. ساختار آن تقریباً همانند کلکتور استاندارد است. تفاوت عمده آن با کلکتور تخت استاندارد در این است که عایق بندی حرارتی به جای اینکه با بافته هایی از الیاف معدنی یا صفحات مشبک از جنس PU انجام شود ،عایق بندی تحت فشار به اندازه یک دهم تا یک هزارم بار انجام میشود.​

2-2-1- شیر تنظیم فشار ورودی به کلکتور
3-2-1- سنسور حرارتی
4-2-1- مخزن کمکی در صورت افت فشار
5-2-1- دستگاه کنترل ابزار دقیق تنظیم جریان
6-2-1- مبدل حرارتی
7-2-1- شیر تظیم فشار و دمای بین دو مخزن
8-2-1- شیر تنظیم دما در مخزن ثانویه 
9-2-1- آب گرم خروجی برای مصرف
10-2-1- آب سرد خروجی برای مصرف
11-2-1- شیر تنظیم
12-2-1- پمپ
13-2-1- شیر جهت تنظیم جریان بین مبدل و کلکتور
14-2-1- شیر تنظیم ورودی آب سرد
15-2-1- مخزن ذخیره: از مواد مخصوص با مقاومت بالا در برابر خوردگی ساخته شده است. خصوصیات این مخزن در تمامی مدلهای مبدل خورشیدی یکسان است و شامل عایق حرارتی که از مواد پلیمری ساخته شده جهت جلوگیری از اتلاف انرژی حرارتی و مقرون به صرفه بودن از لحاظ اقتصادی، ستون تبدیل کننده، شیرکنترل، ترموستات، سیستم اتصال ترموکوپل، المنت حرارتی و سنسور حرارتی میباشد.
16-2-1- تانک ثانویه جهت تنظیم دمای سیال و خروجی در دو حالت گرم و سرد.

 

[P O U R I A]

1-3- وجه تمایز مبدل، آبگرمكن، کلكتور خورشیدی
عمده تفاوت مبدل و کلکتور و آبگرمکن، در ساختار آنها میباشد در یک مبدل خورشیدی که متشکل از تجهیزات کامل فرایندی است قابلیت تبدیل انرژی به تمام انرژی های زیر ساخت ممکن است، ولی در آبگرمکن های خورشیدی انرژی خورشیدی بوسیله ی کلکتور تنها میتواند به انرژی گرمایی تبدیل شده و در گرمایش آب استخرها و مصارف عمومی مورد استفاده قرار گیرد و سرمایش آن نیز بسیارمحدود است. وظیفهی اصلی کلکتور تبدیل تابش نور خورشید به گرماست، هم در مبدل و هم در آبگرمکن نقش اصلی را بعنوان جاذب انرژی بر عهده دارد و بسته به نوع فرآیند ساختار آن متفاوت است.

1-4- طبقه بندی انواع مبدل خورشیدی
سیستمهای مبدل خورشیدی به دو دسته اصلی مستقیم و غیرمستقیم تقسیم میشوند. در سیستمهای مستقیم گرمای سیال در جریان کلکتور بطور مستقیم به سیال منتقل میشود ،در صورتی که در سیستمهای غیرمستقیم سیال انتقال گرما جدا از صفحه ی اصلی تامین آب میباشد و نیاز به مبدل حرارتی دارد. سیستمهای مستقیم و غیر مستقیم مبدلهای خورشیدی شامل سیستمهای فعال و غیرفعال میباشد. در سیستمهای فعال برای جذب گرما به سیال از پمپ های الکتریکی استفاده میشود در صورتی که سیستمهای غیرفعال به پمپهای الکتریکی متکی نمیباشند و به جریانهای طبیعی گردش آب گرم با سیال انتقال گرما (ترموسیفون) وابسته هستند.
در جدول (1) انواع مبدلهای خورشیدی طبقهبندی شده است.

5-1- در جدول (2) مزایا و محدودیتهای انواع انرژیهای مختلف از جمله انرژی خورشیدی نشان داده شده است. در شکل (3) نمونهاي از نیروگاه خورشیدی نشان داده شده است.



1-5- کاربرد مبدل خورشیدی
تاسیسات خورشیدی حرارتزا برای گرم کردن آب استخرها و آب مصرفی جهت استحمام و شستشو (آبگرمکن خورشیدی) و کاربرد در صنعت از لحاظ فنی تثبیت شده و استفاده از آن در فرایندهای صنعتی (مبدل) به زمان عرضه انرژی خورشیدی و حرارت مورد نیاز بستگی دارد .
در جدول (3) کاربرد مبدل خورشیدی در صنایع مختلف با فرآیندهای مختلف نشان داده شده است.

 

[P O U R I A]

نتایج
امروزه در صنایع مختلف سعی میشود از انرژیهای طبیعی مانند انرژی خورشیدی و باد و غیره به جای انرژیهای فسیلی و هستهای استفاده گردد. چرا که از لحاظ اقتصادی به صرفه بوده و نیز در نتیجهي استفاده مکرر از سوختهای فسیلی باعث افزایش قیمت و کاهش میزان آن شده و تولید گازهای گلخانه ای مضر را در پی دارد. یکی از مزیتهای اساسی استفاده از مبدلهای خورشیدی در صنعت صرفه اقتصادی آن بوده و هزینه های تعمیر و نگهداری آن پایین میباشد و فقط هزینه های اولیه را برای واحدهای صنعتی درپی خواهد داشت، جهت استفاده از این نوع مبدلها نیاز به نیروی ماهر نداشته و پس از راهاندازی تا مدتهای طولانی قابل بهره برداری خواهد بود، در این نوع مبدلها بر خلاف مبدلهای نوع پوسته و لولهای از هیچگونه سیال فرآیندی استفاده نشده و انرژی مورد نیاز خود را از انرژی حرارتی خورشیدی میگیرد .همچنین استفاده از مبدلهاي خورشیدي در نیروگاه ها، احتیاج به متخصص عالي ندارد و آنها را میتوان بطور اتوماتیک بکار انداخت ،در صورتیکه در نیروگاه هاي هسته اي وجود متخصصین در سطح عالي ضروري بوده و دستگاه هاي مربوطه نیاز به مراقبتهاي دائمي و ویژه دارند، علاوه بر آن دفع زباله هاي ناشي از سوختهاي هسته اي که رادیواکتیو هستند دقت و هزینه زیادي میطلبد .برخلاف نیروگاه هاي فسیلي که قیمت برق تولیدي آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه در حال تغییر میباشد در نیروگاه هاي خورشیدي این نوسان وجود نداشته و میتوان بهاي برق مصرفي را براي مدت طولاني ثابت نگه داشت. نیروگاه هاي خورشیدي به دلایل فني و نداشتن استهلاک زیاد داراي عمر طولاني میباشند در حالي که عمر مفید نیروگاه هاي فسیلي بین 15 تا 30 سال محاسبه شده است .در بسیاری از مناطق جهان میتوان با استفاده از تکنولوژیهای حرارتی خورشیدی در مساحت یک کیلومتر مربع از زمین 100 الی 300 گیگاوات ساعت الکتریسیته ی خورشیدی تولید

مستقیم غیرمستقیم غیرفعال(طبیعی) سیستم  مدارات  مجتمع: کلکتور خورشیدی و تانک ذخیره سازی ترکیب شدهاند، این سیستم ساده و ارزان است. به علت عدم ارائه حفاظت یخ کافی ،حرارت بیشتری را در شب ها از دست میدهد . سیستم ترموسیفون: از پانلهای کلکتور خورشیدی و تانک ذخیرهسازی استفاده می شود. از طریق مبدل های حرارتی مایع ضدیخی که در پانلهای کلکتور وجود دارد به مخزن ذخیره آب که باید حداقل 81 اینچ بالاتر از کلکتور قرار گرفته باشد منتقل میشود. با این حال میزان بهره وری این سیستم کم میباشد. سیستم ترموسیفون: از پانل های کلکتور خورشیدی و تانک ذخیره سازی استفاده میشود. گردش آب گرم از کلکتور به مخزن از طریق جریان طبیعی است، برای مناطقی که آب سخت دارد مناسب نمیباشد. میتوان با اصلاح پمپ ها، آن را بصورت سیستم مستقیم برای حفاظت یخی بکار برد . فعال  (مكانیكی) سیستم های  drain dow: در این نوع سیستمها آب بین پانل کلکتور و مخزن ذخیره آب داغ پمپ می شود و حفاظت یخی ارائه شده بوسیله دریچه الکتریکی، با سنسور دما میباشد که تخلیه آب از کلکتور و لوله ها قبل از انجماد صورت میگیرد، زمانی که دما بالای صفر درجه است و با افزایش دما روبرو شدیم سیستم بطور خودکار به انباشته کردن مجدد آب میپردازد .  سیستمهای مایع ضدیخ: مایع ضدیخ بوسیله مبدل حرارتی از پانلهای کلکتور خورشیدی به مخزن ذخیره سازی آب منتقل میشود . حلقه باز )  سیستمهای مستقیم پمپ های گردش آب گرم بین پانل های کلکتور و مخزن ذخیره سازی قراردارد . سیستم برای حفاظت یخی بسیار محدود است، میتوان با حمایت بیشتر برای کاهش میزان توقف با راهکارهایی حداقل برای سه فصل استفاده نمود و در زمستان باید متوقف کرد. در مناطقی که آب سخت موجود است مناسب نمیباشد. :Drainback  سیستم های آب مقطر یا ضدیخ بین پانلهای کلکتور و مخزن ذخیره سازی و سیستم زهکشی یخ گردش می کند ،سیال در پانل کلکتور مجزا از حمایت آبخانه است و در یک مخزن تا زمان گرم شدن، ذخیره می شود، سیستم هدایت بدون استفاده از دریچه تخلیه الکتریکی، توسط گرانش نیاز به مبدل حرارتی به منظور انتقال حرارت به مخزن ذخیره سازی دارد. جدول(1)- طبقه بندی انواع مبدلهای خورشیدی​

نمود، این مقدار معادل تولید سالانه نیروگاه های متداول فسیلی و ذغال سنگ یا گازی با ظرفیت 50 مگاوات در بار متوسط است. تولید برق بدون مصرف سوخت، عدم احتیاج به آب زیاد، عدم آلودگي محیط زیست، استهلاک کم و عمر زیاد، عدم نیاز به متخصص باعث شده تا مبدلهاي خورشیدي جایگاه ویژه اي را در جهان صنعت به خود اختصاص دهند.

انواع انرژی ها	مزایا	محدودیتها
خورشیدی	انرژی خورشیدی بصورت رایگان میباشد باعث تولید گازهای گل-خانه ای نمی شود خورشید همیشه در طول زندگیمان وجود خواهد داشت .ذخیرهسازی آن نیز در مقایسه با انرژیهای دیگر ارزان بوده و همین امر باعث شده در استفاده از آن محدودیت زمانی نداشته باشیم.	هزینه ساخت نیروگاه های خورشیدی نسبتا گران بوده بطوریکه برای ساخت یک نیروگاه خورشیدًی 75 مگاواتی برابر 2میلیارد دلار میباشد در صورتی که این رقم در ساخت نیروگاه های بادی معادل 211 میلیون دلار است، برای زمانی که هوا ابری است یا در شب ،که نور کافی وجود ندارد تولید جریان الکتریسیته کافی نخواهیم داشت.
ذغال سنگ	ذغال سنگ دارای یک منبع انرژی ارزان است و به راحتی قابل انتقال به نیروگاه میباشد .ذغالسنگ را میتوان در بسیاری از مکان ها در جهان یافت.	برای یافتن ذغال سنگ نیاز به ایجاد حفاری میباشد که میتواند خطرناک باشد، حمل و نقل ذغال سنگ توسط کامیون از معدن تا نیروگاه باعث ایجاد آلودگی میشود ،تولید گازهای آلاینده در نتیجه سوختن ذغال سنگ و همچنین امکان ابتلاء کارگران معدن به بیماری های ریه و ... وجود دارد، منابع ذغال سنگ پس از حدود 100 سال قابل برگشت است.
نفت وگاز طبیعی	در بسیاری از مکان ها یافت می شود، با استفاده از خطوط لوله های انتقال گاز و نفت و همچنین تانکرها و کشتی های باربری قابل انتقال به مکان دیگر میباشد.	نفت و گاز بازگشتپذیر نیستند استفاده از این نوع سوخت ها باعث انتشار گازهای گلخانه ای به هوا می شود در نتیجه به گرم شدن کره زمین کمک می کند ،منابع زیرزمینی به مرور زمان کاهش یافته و شاهد افزایش قیمت این نوع سوخت خواهیم بود.
انرژی هسته ای	سوخ تهای هسته ای باعث ایجاد گازهای گلخا نهای مضر نم یشوند، برای تولید انرژی بیشتر فقط به مقدار بسیار کمتری از سو ختهای هستهای نیاز است.	زباله های تولید شده از سوختهای هسته ای بسیار مضر و رادیواکتیو هستند، دفع زباله ها نیاز به دقت بیشتر دارد، نیروگاه هسته ای همیشه در معرض حمله های تروریستی و خرابکاری هستند.
باد	نیروگاه های بادی برق تولید میکنند و باعث ایجاد گازهای گلخانه ای نمیشوند، باد رایگان است، در توربین های بادی خطرات ایمنی خیلی کم می باشد .	قابل استفاده فقط در مناطقی که وزش باد زیاد است ،گاهی اوقات ممکن است وزش باد خیلی باشد، به تعداد زیادی از توربین های بادي برای تولید برق نیاز است.